Логические, транспортные и физические каналы

Узел B (Базовая станция)

Основная функция узла B состоит в осуществлении обработки на уровне L1 в воздуш - ном интерфейсе (канальное кодирование и перемежение, адаптация скорости, расширение спектра и т. д.). Кроме того, узел B выполняет одну из основных операций по управлению радиоресурсами – управление мощностью в внутреннем контуре. Логически он соответст - вует базовой станции в системе GSM. Загадочный термин " Узел B" был вначале принят в качестве временного термина в процессе стандартизации, но затем так и никогда не поме - нялся.

Под физическим уровнем UTRAN в соответствии с общей классификацией много - уровневых открытых систем понимается совокупность процедур и средств, непосредст - венно связанных с обменом данными между БС и МС. К таковым, среди прочего, отно - сятся:

ü помехоустойчивое канальное кодирование, мультиплексирование и демультиплекси - рование данных, поступающих с верхних уровней;

ü согласование скоростей информационных потоков, поступающих по транспортным каналам с сеткой скоростей, предоставляемых физическими каналами;

ü отображение транспортных каналов на физические;

ü модуляция, расширение (spreading) и сжатие (despreading) спектра физических кана - лов;

ü частотная и временная синхронизация;

ü измерение параметров канала и управление мощностью излучения по замкнутой петле;

ü взвешивание и комбинирование физических каналов;

ü радиочастотная обработка сигналов.

В отличие от IS-95 и cdma2000 в стандартах UTRA (ETSI, Европа) и W-CDMA (ARIB,

Япония) предложен иной принцип деления каналов, основанный на учете взаимосвязи между объектами разных иерархических уровней. При этом могут быть выделены три ти - па каналов:

ü логические, обслуживаемые на подуровне L2/LAC и обеспечивающие взаимодей - ствие между протоколами L2/MAC и более высокими уровнями;

ü транспортные, обслуживаемые на подуровне L2/MAC и обеспечивающие взаимо - действие между протоколами физического и более высоких уровней;

ü физические, формируемые на самом нижнем уровне L1.

Понятие «логический канал» относится к уровням выше физического и отражает со - держание данных, предназначенных для передачи (обмен сообщениями с потребителем или команды управления).

Термин «транспортный канал» относится к способу и формату данных, передавае - мых далее по физическим каналам.

В свою очередь, специфические частота и кодовая последовательность, обеспечиваю - щие соединение между БС и МС, задают тот или иной физический канал.

Информация, структурированная в транспортных каналах, далее проектируется на фи - зические каналы, по которым передается «вниз» и «вверх».

Классификационный признак, относящийся как к физическим, так и транспортным ка - налам UMTS: и те и другие делятся на выделенные (dedicated) и общие (common).

Выделенные транспортные каналы (по одному на каждого пользователя) содержат данные обмена между конкретным потребителем и сетью, а также сигналы управления.

Общие транспортные каналы служат для передачи системной информации, данных о конфигурации сети и параметрах соты, сигналов вызова, пакетных сообщений и др.

Все физические каналы имеют стандартизованную временную структуру. Каждый ка - нал делится на кадры длительностью 10 мс (38 400 чипов). Каждый кадр состоит из 15 слотов, имеющих длительность 666,6... мс (2560 чипов). Распределение данных между слотами и в пределах слота варьируется в зависимости от типа физического канала и те - кущей скорости передачи данных.

Существуют две группы логических каналов: управления CCH (Control Channel) и трафика TCH (Traffic Channel). По каналам управления передаются вызывные и служеб - ные сообщения, сигнализация, команды управления мощностью и диаграммой направлен - ности, а по каналу трафика — информационные потоки.

Каналы управления, в свою очередь, подразделяются на общие (CCCH, Common CCH)

и выделенные (DCCH, Dedicated CCH). В рекомендации МСЭ (ITU-R M.1035) был также предложен третий тип канала — жестко закрепленный, получивший обозначение (LCCH,Leash CCH). В настоящее время в системах на базе протокола CDMA он не используется.

Общие каналы CCCH предназначены для передачи управляющей информации и сиг - нализации в режиме, не ориентированном на соединение. Имеются четыре вида таких ка - налов: широковещательные (BCCH, Broadcast CCH), прямого доступа (FACH, ForwardACH), пейджинговые PCH и произвольного доступа (RACH, Random ACH).

Двусторонняя радиосвязь между базовой и мобильной станциями осуществляется по двум каналам. В сетях с коммутацией каналов данные передаются по выделенному каналу трафика (DTCH, Dedicated TCH), а пакетная информация — по каналу передачи абонент -

ских пакетов (UPCH, User Packet Channel).

Транспортные каналы, связывающие физический уровень с более высокими, так же как и логические, подразделяются на две группы: общие CCH, не требующие идентифи - кации мобильной станции в рабочей полосе, и выделенные DCH, в которых мобильная станция однозначно связана с физическим каналом, т. е. с определенным кодом и часто - той. Первые доступны группе абонентов — связь организуется одновременно между базовой и несколькими мобильными станциями, а по выделенному передаются данные или сигнализация.

Одно из различий между проектами W-CDMA и UTRA состоит в разном числе типов выделенных каналов. В W-CDMA один тип — DTCH, а в UTRA их целых три: DTCH, ав -

тономный (SDCCH, Stand-alone DCCH) и совмещенный (ACCH, Associated CCH). В кана -

ле DTCH предусмотрено быстрое изменение скорости передачи (каждые 10 мс). ACCH используется для совместной передачи управляющей информации из потока данных.

Физические каналы определяют качественные показатели и режимы передачи инфор - мации. Их главные характеристики — код, частота и фазовый сдвиг. Они также подразде -

ляются на общие (CPCH, Common Physical Channel) и выделенные (DPCH, DedicatedPhysical Channel) каналы. По общему каналу управления (CCPCH, Common Control Physical Channel) передается вызывная управляющая информация. Для передачи символов пилот - сигнала используется отдельный канал синхронизации (SCH, SynchronizationChannel).

Для организации связи с конкретным пользователем выделен специальный канал DPCH, по которому передаются как информация абонента, так и управляющие сигналы, вспомогательные пилот - символы управления диаграммой направленности антенны, а также биты управления мощностью и прочие служебные данные.

Уникальность технологии с кодовым разделением каналов состоит в том, что каждый логический канал отображается на физический «индивидуально», с присущими ему ско - ростью передачи и кодом.

Так как число каналов на сетевом уровне значительно больше, чем на канальном, то в

одном транспортном канале обычно объединяют несколько низкоскоростных логических (рисунок 11.9). При переходе от транспортного к физическому уровню каналы тоже мож - но объединять, при этом принято пейджинговый канал PCH и канал доступа FACH ото - бражать на общий физический канал «вниз», а канал доступа RACH — на общий физиче - ский канал «вверх».

Поток данных при передаче информации из одного канала в другой трансформируется на уровне канальных интервалов, кадров и данных сигнализации. Например, пейджинго - вый канал разделяется на несколько групп в одном суперкадре, и вызывная информация передается в каждой группе.

Метод пакетной передачи, используемый в CDMA- системах, хорошо согласуется с принципом адаптивных каналов, скорость передачи которых изменяется в соответствии с трафиком. Допустим, если трафик низкоскоростной, то может использоваться один физи - ческий канал CPCH для нескольких логических каналов (FACH, RACH и др.). Если же трафик достаточно высокоскоростной, то выбирается для передачи логический канал типа

UPCH.

Рисунок 11.9 – Взаимное отображение физических, транспортных и логических каналов

Выделенные физические каналы линии «вверх»

Выделенный физический канал используется потребителем на монопольной основе. Существует два типа выделенных физических каналов на линии «вверх»: канал данных

DPDCH (dedicated physical data channel) и канал управления DPCCH (dedicated physical control channel).

DPDCH используется для передачи данных выделенного транспортного канала, в то время как DPCCH передает от МС к БС информацию служебного назначения: биты пи - лот - сигнала, необходимого для оценки текущих параметров трассы между данным МС и БС и когерентного детектирования, команды управления мощностью излучения БС по замкнутой петле и др.

Канал управления DPCCH для данного пользователя всегда единственный, тогда как каналов данных DPDCH может быть несколько: единственный выделенный транспортный канал может отображаться параллельно на несколько (до 6) физических с целью увеличе - ния скорости передачи (мультикодовая передача). Идентификационным признаком каж - дого из выделенных физических каналов (DPDCH или DPCCH) является один из канали - зирующих кодов.

Если используется единственный DPDCH, то он объединяется с обязательно присутст - вующим каналом управления DPCCH в квадратурном модуляторе. DPDCH подается в синфазную (I), a DPCCH – в квадратурную (Q) ветвь модулятора. Предварительно каждый из этих каналов, представляющий битовый поток в форме двуполярного сигнала, пере - множается со своим канализирующим кодом, а затем взвешивается соответствующим множителем, с тем чтобы канальные мощности соответствовали разным (при необходи - мости) требованиям к качеству приема пользовательского сообщения и данных контроля.

Наибольший из коэффициентов всегда поддерживается равным единице, нулевое зна - чение означает отключение соответствующего канала, а промежуточные значения равно - мерно заполняют интервал (0–1) с шагом 1/15. Изменение весов может происходить от одного кадра к другому.

Если потребитель вовлекает в работу более одного DPDCH, все они взвешиваются од - ним и тем же множителем β _d и равномерно распределяются между ветвями модулятора. Таким образом, все параллельно действующие DPDCH абсолютно равноправны. Сказан - ное иллюстрирует рисунок 11.10.

Общие физические каналы линии «вверх»

КК _j– канализирующий код, соответствующий j- му выделенному каналу данных DPDCH_j; КК_С – код, формирующий физический канал DPCCH;

β _d – весовой множитель

Рисунок 11.10 – Мультиплексирование выделенных каналов линии «вверх»

Общие физические каналы отличают - ся от выделенных тем, что их ресурс

предоставлен в распоряжение сразу всем МС. Существует два тина общих каналов линии «вверх»:

ü канал случайного доступа RACH(random access channel) и канал па -

кетной передачи СРСН (commonpacket channel), причем эта класси - фикация идентична и для физиче - ских, и для транспортных каналов с

соответствующим проектированием вторых на первые. Канал RACH служит для инициирования контак - та с сетью со стороны МС (напри - мер, вызова) и для передачи корот - ких пакетных сообщений, тогда как

основная пакетная связь между МС и сетью осуществляется через канал СРСН.

Рисунок11.11–Дерево канализирующих кодов для k = 3

ü Физический канал случайного доступа PRACH (physical RACH) содержит преам -

булу в 4096 чипов.

Преамбула представляет собой 256 раз повторенный идентификатор (signature) из 16 чинов. МС может начать передачу по каналу PRACH в начале любого из 15 специальных слотов доступа, имеющих протяженность 5120 чипов каждый и совместно занимающих два кадра. Диаграмма этих слотов задается в формате передачи БС, для чего предусмотрен специальный широковещательный транспортный канал ВСН (broadcasting channel)

линии «вниз».

Работа канала PRACH соответствует известному протоколу ALOHA со «слотировани -

ем» (slotted ALOHA).

После приема преамбулы БС сигнализирует МС о наличии контакта и МС передает сообщение, занимающее отрезок в 10 или 20 мс (один или два кадра). Поскольку связь по каналу PRACH с каждой МС весьма кратковременна, управление мощностью по замкну - той петле в нем стандартом не предусмотрено.

Структура физического канала пакетной передачи РСРСН (physical СРСН) во мно -

гом аналогична, однако часть, отводимая на передачу сообщения, может занимать не - сколько кадров, а преамбульная часть дополнена специальной вставкой (4096 чинов), служащей для обнаружения коллизий (CD-P – collision detection preamble), т. е. попыток одновременного использования канала несколькими МС. Кроме того, в РСРСН, как и в выделенных пользовательских каналах, присутствуют сигналы управления мощностью по замкнутой петле, а также отдельная часть преамбулы РС - Р (power control preamble), зани - мающая от 0 до 8 слотов. Последняя является необязательной и может быть активизиро - вана БС для ускорения сходимости процедуры регулировки мощности.

Как и в выделенных каналах, в PRACH и РСРСН можно различать два типа потоков данных: собственно информационный и команды управления. Для их мультиплексирова - ния друг с другом используется тот же вариант квадратурного уплотнения с предвари - тельным взвешиванием, что и для объединения DPDCH с DPCCH. Для мультиплексиро - вания общих каналов с выделенными используются канализирующие коды.

Канализирующие коды линии «вверх»

Поскольку каждая МС может использовать для передачи несколько выделенных кана - лов данных DPDCH, необходимы меры, гарантирующие их разделимость в приемнике БС. Так как все сигналы, передаваемые одной МС, привязаны к единой временной шкале, за - даваемой стандартом частоты МС, иначе говоря, строго синхронизированы, разделение

каналов можно реализовать как синхронное кодовое уплотнение на основе ортогональных канализирующих кодов. В этом отношении линия «вверх» UTRAN несколько напоминаетлинию вниз стандарта IS-95, но разделение сигналов абонентов в рассматриваемой линии по - прежнему остается асинхронным кодовым.

Формат канализирующих кодов описывается с помощью двоичного кодового дерева, т. е. итерационного алгоритма (рисунок 11.11).

На каждой итерации любое кодовое слово, по - лученное на предыдущем шаге, преобразуется в

два новых удвоенной длины путем двукратного повторения в одном слове и повторения с измене - нием знака – в другом. Так, если С _k – некое слово, полученное на k - м шаге, его «потомками» на k+1 - м будут слова вида (С _k С _k), (С _k- С _k). Таким обра - зом, стартуя с тривиального слова длины 1, рав - ного единице, за k итераций можно получить 2 ^k кодовых векторов длины N = 2 ^k ортогональность которых очевидна.

Описанная кодовая конструкция определяется как ортогональные коды с переменным расши-

рением спектра (orthogonal variable spreading factor – OVSF).

Соответствующий алгоритм есть не что иное, как популярное правило Сильвестра по - строения матриц Адамара с элементарным переупорядочиванием строк. Получаемые при этом кодовые слова есть попросту функции Уолша.

Для организации выделенного канала управления DPCCH всегда используется кодовое слово длины N = 256, состоящее из одних единиц.

Для каналов же данных DPDCH могут использоваться различные длины кодовых слов в соответствии с реализованным в UTRAN принципом управляемой скорости передачи. Так как длительность одного чипа зафиксирована, изменение скорости передачи, т. е. дли - тельности одного бита, автоматически пропорционально меняет соотношение между дли -

тельностью бита и чипа (коэффициент расширения спектра SF – spreading factor). Если потребитель использует только один канал данных DPDCH, он может варьировать SF в пределах от 256 (самая низкая скорость передачи) до 4 (самая высокая в рамках единст - венного DPDCH). При этом всегда используется кодовый вектор с номером I=SF/4, если отсчет на дереве вести сверху вниз.

Понятно, что минимальное расширение спектра N = SF = 4 отвечает скорости передачи R_t = (3,84/4)·10⁶= 0,96 Мбит / с. (Скорость передачи полезной информации примерно вдвоениже вследствие применения мощных корректирующих кодов.) В тех случаях, когда по - добная скорость оказывается недостаточной, МС может использовать до 6 параллельных DPDCH обязательно с одним и тем же (минимальным) расширением: N = SF = 4, причем правило выбора канализирующих кодовых слов для каждого числа каналов от 1 до 6 же - стко регламентировано спецификацией.

Для мультиплексирования общих каналов PRACH и РСРСН с выделенными DPDCH и DPCCH используются кодовые слова, алгоритм выбора которых на кодовом дереве также оговорен спецификацией.

Проблемной является работоспособность линии «вверх» при SF = 4.

При использовании на БС стандартного корреляционного приемника мощность асин - хронной помехи от других потребителей (помехи множественного доступа) ослабляется за счет сжатия спектра именно в SF раз. Для эффективного подавления упомянутой помехи требуются гораздо большие значения SF, чем 4.

Введение стандартом малых значений SF (4, 8,...) может быть связано с тем, что они предусматриваются для специфических условий, практически исключающих появление взаимной помехи (например, в микросоте сети внутри помещения). Другое предположе - ние: их применение возможно тогда, когда БС имеет так называемый многопользователь - ский (multiuser) приемник, потенциально обеспечивающим выигрыш в степени нейтрали - зации помехи множественного доступа по сравнению с традиционным корреляционным.

cdma2000 Network

Дата добавления: 2014-01-15